Schaltungsanordnung zur Unterdrückung von Gleichtaktspannungen und Elektroden-Störgleichspannungen bei der Auswertung von Messwertspannungen, die von Messelektroden eines induktiven Durchflussmessgerätes abgegeben werden.

Abstract

 Schaltungsanordnung zur Unterdrückung von Gleichtaktspannungen und Elektrodenstörgleichspannungen, die von Meßelektroden (11, 12) eines mit einem Magnetfeld periodisch wechselnder Richtung arbeitenden, induktiven Durchflußmeßgeräts zusätzlich zu Meßwertspannungen wechselnder Polarität abgegeben werden, dadurch gekennzeichnet, daß jede Meßelektrode (11, 12) an einen nicht invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers (15, 16) angeschlossen ist, dessen Ausgang mit seinem anderen, invertierenden Eingang über einen Widerstand (18, 19) gegengekoppelt ist, daß die invertierenden Eingänge jeweils zweier Operationsverstärker (15, 16) durch eine Reihenschaltung eines Widerstands (17) und eines Kondensators (24) miteinander verbunden sind, daß die Gegenkopplungswiderstände (18,19) gleiche Werte (R, = R',) haben, daß der Widerstand (17) in der Reihenschaltung einen Wert(R₂) hat, der klein gegenüber den Werten (Ri, R'₁) der Gegenkopplungswiderstände (18, 19) ist, daß die Ausgänge dieser beiden Operationsverstärker (15, 16) während Zeiträumen, in denen der Fluß des Magnetfelds zwischen den Elektroden (11,12) bei unterschiedlicher Richtung des Magnetfelds konstant ist, mit einem Spannungsspeicher (23) verbunden werdem, daß in diesem Spannungsspeicher (23) aufeinanderfolgend gespeicherte Spannungen voneinander subtrahiert und die Subtraktionsergebnisse zu Meßwertsignalen weiterverarbeitet werden.

Beschreibung

[0001] Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung nach dem Obergegriff des Anspruchs 1 anzugeben. Bei den Gleichtakt-Spannungen und Elektrodenstörgleichspannungen handelt es sich in der Regel um Spannungen, die von einer Polarisation der Meßelektrode herrühren'. Diese Spannungen sind für die Stärke des Stroms des das Durchflußmeßgerät durchfließenden Mediums nicht charakteristisch und müssen daher bei der Auswertung der von den Meßelektroden abgegebenen Meßspannung.eliminiert werden.

[0002] Die Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegeben.

[0003] Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist in einfacher Weise mit Standard-Operationsverstärkern aufzubauen und führt zuverlässig zur Eliminierung von Gleichtakt-Spannungen und Störgleichspannungen, die von den Meßelektroden geliefert werden.

[0004] Die Wirkungsweise und weitere Vorteile der Schaltung, auch in Zusammenhang mit den Unteransprüchen, werden in der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels erläutert.

[0005] Fig. 1 zeigt ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.

[0006] Fig. 2 zeigt verschiedene, für die Schaltungsanordnung nach Fig. charakteristische Zeitdiagramme.

[0007] In einem dielektrisch ausgekleideten Meßrohr 13 eines induktiven Durchflußmeßgeräts stehen zwei Meßelektroden 11, 12 in elektrischem Kontakt mit einer das Meßrohr 13 durchströmenden Flüssigkeit 10.

[0008] Beidseitig des Rohrs sind zwei hintereinander geschaltete Magnetspulen 14 angeordnet, die in wechselnder Richtung über einen Stromumschalter 27 mit einem Strom I gespeist werden. Das Meßrohr 13 besteht aus Metall und ist an eine Erdleitung 40 angeschlossen.

[0009] Bei einer gleichbleibenden Fließgeschwindigkeit der das Meßrohr13 durchströmenden Flüssigkeit 10 werden von den Elektroden 11 und 12 durchflußproportionale Spannungen U₁₁ und U₁₂ mit dem Magnetfeld wechselnder Polarität abgegeben, die von Spannungen gleichbleibender Polarität,,herrührend von einer Polarisation der Elektroden.11, 12 und daher Polarisationsspannungen, U_p1 und U_p2 genannt, überlagert sind (siehe die beiden oberen Diagramme in Fig. 2).

[0010] Die Elektroden 11, 12 sind an die nicht invertierenden Eingänge von Operationsverstärkern 15, 16 angeschlossen, deren Ausgang über einen Widerstand 18 bzw. 19 mit ihrem invertierenden Eingang verbunden ist. Die Operationsverstärker 15, 16 arbeiten also über die Widerstände 18, 19 gegengekoppelt. Die invertierenden Eingänge der Operationsverstärker 15, 16'sind durch eine Reihenschaltung eines Widerstands 17 und eines Kondensators 24 miteinander verbunden. Die Zeitkonstanteτ dieser R-C Kombination aus dem Widerstand 17 und dem Kondensator 24 ist groß gegenüber der Periodendauer der Meßfrequenz. Die Ausgänge der beiden Operationsverstärker 15, 16^-sind während Zeiträumen t₁, t₂ (siehe Fig. 2), in denen der Fluß des Magnetfelds zwischen den Elektroden 11, 12 bei unterschiedlicher Richtung des Magnetfelds konstant ist, über die entsprechend gesteuerten Schalter 20, 21 mit einem Spannungsspeicher 23 verbunden. Der Spannungsspeicher 23 ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Kondensator. Aufeinanderfolgend ihm zugeführte Spannungen subtrahiert dieser Kondensator. Das Subtraktionsergebnis ist von den Spannungen Up₁ und Up₂ befreit und wird während Zeiträumen, in dnen die Schalter 20, 21 an Leerpolen liegen, über Schalter 25, 26 einer Auswerteschaltung zugeführt.

[0011] Die Gegenkopplungswiderstände 18 und 19 haben bevorzugt gleiche Werte R₁ und R'₁.

[0012] Der Widerstand 17 in der Reihenschaltung 17, 24 hat bevorzugt einen Wert R₂, der klein gegenüber den Werten R₁, R'₁ der Gegenkopplungswiderstände 18, 19 ist.

[0013] Der Spannungsspeicher 23 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel - wie schon ausgeführt - ein Kondensator. Dieser Kondensator ist mittels Dreipol-Schaltern 20, 21 gegensinnig an die Ausgänge der Operationsverstärker 15, 16 über die Pole a - c und an die Leerpole b und mittels der als Überbrückungsschalter ausgebildeten Schalter 25, 26 an die Auswerteschaltung schaltbar. Die Kapazität C des Kondensators 23 ist bevorzugt derart hoch, daß er Störwechselspannungen höherer Frequenz als der durch den Stromumschalter 27 festgelegten Schaltfrequenz des Magnetfelds im wesentlichen zu Null integriert. Die Schalter 20, 21, 25, 26 werden von einem mit der Schaltfrequenz des Magnetfelds gesteuerten Schalterbetätigungsglied 22 gesteuert. \

[0014] Die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 ist in folgender Weise ausgelegt: Die Verstärkung der Polarisationsspannung Up₁ und Up₂ in den Operationsverstärkern 15, 16 ist gleich 1. Die durchflußproportionalen Spannungen U₁₁ und U₁₂ werden jeweils um den Faktor v =

+ und v'=

+ 1 verstärkt.Der Kondensator 24 ist-so dimensioniert, daß sein Blindwiderstand für die Meßfrequenz klein gegenüber R₂ ist. Die Verstärkung der zwischen den nicht invertierenden Eingängen der Operationsverstärker 15, 16 liegenden Elektroden-Gleichspannung plus Gleichtaktspannung beträgt dann ebenfalls 1. Dies erklärt sich wie folgt: Da die Ausgangsspannungsanteile der Operationsverstärker 15, 16, die von Gleichtaktspannungen an ihren beiden Eingängen herrühren, gleich sind, fällt keine Spannung über den Widerstand 17 und den Kondensator 24 ab. Die Reihenschaltung aus dem Widerstand 17 und dem Kondensator 24 entspricht insoweit einem Widerstandswert unendlich bei Betrachtung der Gleichtaktspannungen. Es ergibt sich daher eine 100- - prozentige Rückführung mit der Verstärkung 1 für die Operationsverstärker 15, 16.

[0015] Wählt man R₁ = R'₁ (bzw. R'₁) groß gegenüber R₂, so erhält man eine Gleichtaktunterdrückung, die der Differenz-Wechselspannungsverstärkung entspricht.

[0016] Die Gleichtaktunterdrückung ist dabei definiert als Verhältnis der Differenzverstärkung zur Gleichtaktverstärkung.

[0017] Der Kondensator 24 entkoppelt die beiden Operationsverstärker 15, 16 gleichspannungsmäßig. Die Schaltung mit den Operationsverstärkern 15, 16 arbeitet also als Wech- selspannungs-Differenzverstärker mit symmetrischem Ausgang.

[0018] Die Eliminierung der.Polarisationsspannungen U_p1 und Up₂ ist anhand Fig. 2 verständlich: Während der Zeiträume t₁ befinden sich die Schalter 20, 21 in der Schalterstellung a. Zum Beginn der Zeiträume t₁ ist das Magnetfeld eingeschaltet und zeitlich konstand. Die Spannungen U₁₁ und U₁₂ sowie U_p1 und U_p2 gelangen von den Elektroden 11, 12 über die Operationsverstärker 15 und 16 und die Schalter 20, 21 auf den Kondensator 23. Während dieser Zeiträume t₁ wirken folgende Spannungen (gegenüber Masse) auf den Kondensator 23:

von der Elektrode 11: v . U₁₁ + U_p1 (auf tPol des Kondensators)

von der Elektrode 12:-v · U₁₂ + U_p2 (auf-Pol des Kondensators)

[0019] Der nächste Schritt im zeitlichen Ablauf ist die Umpolung des die Spulen 14 durchsetzenden Stroms mittels des Stromumschalters 27. Die Umpolung des Stroms bewirkt eine Umpolung des Magnetfeldes und damit einen Wechsel der Polarität der Spannungen U₁₁ und U₁₂. Dies geschieht noch vor den folgenden Zeiträumen t₂, also zwischen den Zeiträumen t₁ und t₂, während sich die Schalter 20, 21 in der Schalterstellung b befinden. Der Kondensator 23 ist also dann abgetrennt. Zum Beginn der Zeiträume t₂ werden die Schalter 20 und 21 in die Schalterstellung c gebracht. Während der Zeiträume t₂ gelangen die von den jetzt umgepolten Operationsverstärkern 15, 16 gelieferten Spannungen zusätzlich auf den Kondensator 23, so daß sich folgende Ladungen auf den beiden,Belegungen des Kondensators 23 nach zwei aufeinanderfolgenden Zeiträumen t₁ und t₂ sammeln (die Ladungen sind spannungsproportional):

[0020] ^Da U11 = U₁₂, ergibt die vorzeichenrichtige Subtraktion

[0021] Als Mittelwert aus zwei aufeinanderfolgenden Zeiträumen t₁ und t₂ erhält man für das auszuwertende durchflußproportionale Meßsignal am Kondensator 23 die Spannung 2.V.U₁₁. Dies ist eine gesiebte und von Störungen befreite Gleichspannung. Die Weiterverarbeitung dieser Gleichspannung erfolgt in den Pausen zwischen den Zeiträumen t₁ und t₂ nach Schließen der Schalter 25, 26.

[0022] Der Kondensator 23 arbeitet mit zwei - nicht dargestellten - in Reihe geschalteten Widerständen als Integrator bzw. Speicher für höherfrequente Störspannungen.

Ansprüche

1. Schaltungsanordnung zur Unterdrückung von Gleichtaktspannungen und Elektrodenstörgleichspannungen, die von Meßelektroden eines mit einem Magnetfeld periodisch wechselnder Richtung arbeitenden,induktiven Durchflußmeßgeräts zusätzlich zu Meßwertspannungen wechselnder Polarität abgegeben werden, dadurch gekennzeichnet, daß jede Meßelektrode (11, 12) an einem nicht invertierten Eingang eines Operationsverstärkers (15, 16) angeschlossen ist, dessen Ausgang mit seinem anderen invertierenden Eingang über einen Widerstand (18, 19) gegengekoppelt ist, daß die invertierenden Eingänge jeweils zweier Operationsverstärker (15, 16) durch eine Reihenschaltung_'(17, 24) eines Widerstands (17) und eines Kondensators (24) miteinander verbunden sind, daß die Gegenkopplungswiderstände (18, 19) gleicher Werte(R₁ = R'₁) haben, daß der Widerstand (17) in der Reihenschaltung (17, 24) einen Wert (R₂) hat, der klein gegenüber den Werten (R₁, R'₁) der Gegenkopplungswiderstände (18, 19) ist, daß die Ausgänge dieser beiden Operationsverstärker (15, 16) während Zeiträumen (t₁, t₂), in denen der Fluß des Magnetfelds zwischen den Elektroden (11, 12) bei unterschiedlicher Richtung des Magnetfeds konstant ist, mit einem Spannungsspeicher (23) verbunden werden, daß in diesem Spannungsspeicher (23) aufeinanderfolgend gespeicherte Spannungen voneinander subtrahiert und die Subtraktionsergebnisse zu Meßwertsignalen weiterverarbeitet werden.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsspeicher (23) ein Kondensator ist, dessen Belegungen mittels Dreipol-Schaltern (20, 21) gegensinnig an die Ausgänge der Operationsverstärker (15, 16) und an Leerpole (b) und mittels Überbrückungsschaltern (25, 26) an eine Auswerteschaltung schaltbar sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität (C).des Kondensators (23) derart hoch ist, daß er Störwechselspannungen höherer Frequenz als der Schaltfrequenz des Magnetfelds im wesentlichen zu Null integriert.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (20, 21, 25, 26) von einem mit der Schaltfrequenz des Magnetfelds gesteuerten Schalterbetätigungsglied (22) gesteuert sind.

Zeichnung